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La atmósfera terrestre es nuestra mejor defensa contra las supernovas cercanas

La atmósfera terrestre es nuestra mejor defensa contra las supernovas cercanas

La atmósfera protectora de la Tierra ha proporcionado vida durante miles de millones de años, creando un refugio donde la evolución ha producido formas de vida complejas como la nuestra. La capa de ozono desempeña un papel crucial en la protección de la biosfera de los mortales rayos ultravioleta. Bloquea el 99% de los potentes rayos ultravioleta del sol. La magnetosfera de la Tierra también nos alberga.

Pero el sol es relativamente manso. ¿Cuán eficaces son el ozono y la magnetosfera para protegernos de poderosas explosiones de supernovas?

Cada millón de años (una fracción de los 4.500 millones de años de la Tierra) una estrella masiva explota a 100 pársecs (326 años luz) de la Tierra. Lo sabemos porque nuestro sistema solar está ubicado dentro de una enorme burbuja de espacio llamada… burbuja local. Es una región cavernosa del espacio donde la densidad del hidrógeno es mucho menor que fuera de la burbuja. Una serie de explosiones de supernovas en los últimos 10 a 20 millones de años esculpieron la burbuja.

Las supernovas son peligrosas y cuanto más cerca está un planeta de otro, más letales son sus efectos. Los científicos han especulado sobre los efectos de las explosiones de supernovas en la Tierra, preguntándose si pudieron haber causado extinciones masivas o al menos extinciones parciales. Los estallidos de rayos gamma y los rayos cósmicos de las supernovas pueden agotar el ozono de la Tierra y permitir que la radiación ultravioleta ionizante llegue a la superficie del planeta. Los impactos también podrían crear más partículas de aerosol en la atmósfera, aumentando la cobertura de nubes y provocando un enfriamiento global.

Un nuevo artículo de investigación en Nature Communications Earth and Environment analiza las explosiones de supernovas y su impacto en la Tierra. Se titula “La atmósfera de la Tierra protege la biosfera de las supernovas cercanas.El autor principal es Theodoros Christoudias del Centro de Investigación sobre el Clima y la Atmósfera del Instituto de Chipre, Nicosia, Chipre.

La burbuja local no es la única evidencia de la existencia de supernovas cercanas al colapso (SNe) en los últimos millones de años. Los sedimentos oceánicos también contienen… 60Hierro, un isótopo radiactivo del hierro con una vida media de 2,6 millones de años. Expulsión sunita 60Fe al espacio cuando explota, lo que indica que una supernova cercana explotó hace unos dos millones de años. También hay 60Hierro en sedimentos que indican otra explosión de SN hace unos 8 millones de años.

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Este gráfico del artículo de investigación muestra los posibles impactos atmosféricos y climáticos de una supernova cercana. Los rayos gamma pueden agotar el ozono, permitiendo que más rayos ultravioleta lleguen a la superficie de la Tierra. Algunos rayos ultravioleta son ionizantes, lo que significa que pueden dañar el ADN. Los rayos cósmicos también pueden crear más núcleos de condensación, lo que significa más nubes y un posible enfriamiento global. Crédito de la imagen: Christoudias et al. 2024

Los investigadores han relacionado la explosión de SN con… Extinción del Devónico tardío Hace unos 370 millones de años. en una hojaLos investigadores descubrieron que las esporas de las plantas fueron quemadas por la radiación ultravioleta, una indicación de que algo poderoso había agotado la capa de ozono de la Tierra. De hecho, la biodiversidad de la Tierra disminuyó durante unos 300.000 años antes de la extinción del Devónico tardío, lo que sugiere que muchas SNe pueden haber desempeñado un papel.

La capa de ozono en la Tierra está en constante cambio. Cuando la energía ultravioleta llega a él, descompone las moléculas de ozono (O3). Esto disipa la energía ultravioleta y los átomos de oxígeno se combinan para formar O3 nuevamente. El ciclo se repite. Esta es una versión simplificada de la química atmosférica involucrada, pero sirve para ilustrar el ciclo. Una supernova cercana podría anular el ciclo, agotando la densidad de la columna de ozono y permitiendo que la mortal radiación ultravioleta llegue a la superficie de la Tierra.

Pero en el nuevo artículo, Christoudias y sus coautores señalan que la capa de ozono de la Tierra es mucho más resistente de lo que se pensaba y proporciona suficiente protección contra SNe del orden de 100 pársecs. Si bien investigadores anteriores han modelado la atmósfera de la Tierra y su respuesta a una SN cercana, los autores dicen que han mejorado este trabajo.

Modelaron la atmósfera de la Tierra utilizando el modelo de sistemas terrestres con química atmosférica (EMAC) para estudiar el efecto de las explosiones cercanas de SNe en la atmósfera de la Tierra. Utilizando EMAC, los autores dicen que han modelado la “dinámica compleja de la circulación atmosférica, la química y la retroalimentación del proceso” de la atmósfera de la Tierra. Estos son necesarios para “simular la pérdida de ozono estratosférico en respuesta a una ionización elevada, lo que lleva a la nucleación inducida por iones y al crecimiento de partículas en CCN” (núcleos de condensación de nubes).

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“Presentamos la hipótesis de la existencia de un representante cercano al SN con tasas de ionización de GCR (rayos cósmicos galácticos) en la atmósfera que son 100 veces más altas que los niveles actuales”, escribieron. Esto está asociado con una explosión de supernova a unos 100 pársecs, o 326 años luz, de distancia.

Estos paneles de la tesis muestran la disminución porcentual en la columna de ozono a partir de un aumento de 100 veces en la intensidad del GCR en comparación con el valor nominal.  El eje vertical izquierdo representa la latitud de la Tierra y el eje x representa la época del año.  La pérdida de ozono es más pronunciada por encima de los polos debido a la influencia de la magnetosfera terrestre, donde es más débil.  a es la Tierra actual, mientras que b representa la Tierra antigua que contenía sólo un 2% de oxígeno durante la Era Precámbrica.  Crédito de la imagen: Christodias et al.  2024
Estos paneles de la tesis muestran la disminución porcentual en la columna de ozono a partir de un aumento de 100 veces en la intensidad del GCR en comparación con el valor nominal. El eje vertical izquierdo representa la latitud de la Tierra y el eje x representa la época del año. La pérdida de ozono es más pronunciada por encima de los polos debido a la influencia de la magnetosfera terrestre, donde es más débil. a es la Tierra actual, mientras que b representa la Tierra antigua que contenía sólo un 2% de oxígeno durante la Era Precámbrica. Crédito de la imagen: Christodias et al. 2024

“El agotamiento máximo de la capa de ozono en los polos es menor que el actual agujero antropogénico de la capa de ozono en la Antártida, lo que equivale a una pérdida de columna de ozono del 60-70%”, explican los autores. “Por otro lado, hay un aumento del ozono troposférico, pero está dentro de los niveles resultantes de la reciente contaminación antropogénica”.

Pero vayamos al grano. Queremos saber si la biosfera de la Tierra es segura o no.

El agotamiento máximo promedio del ozono estratosférico debido a la radiación ionizante es 100 veces mayor de lo normal, lo que representa alrededor del 10% a nivel mundial, lo que representa un SN cercano. Esta es la misma disminución causada por la contaminación antropogénica. Esto no afectará mucho a la biosfera.

“A pesar de su importancia, es poco probable que tales cambios en el ozono tengan un impacto significativo en la biosfera, especialmente porque la mayor parte de la pérdida de ozono ocurre en latitudes altas”, explican los autores.

Pero eso es para la Tierra moderna. Durante la Era Precámbrica, antes de que la vida explotara en muchas formas, la atmósfera contenía sólo alrededor del 2% de oxígeno. ¿Cómo afectará SN a esto? “Simulamos una atmósfera con un 2% de oxígeno porque probablemente representa condiciones bajo las cuales la naciente biosfera de la Tierra seguiría siendo particularmente sensible al agotamiento del ozono”, escribieron los autores.

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“La pérdida de ozono es de alrededor del 10-25% en latitudes medias y es menor en los trópicos”, escribieron los autores. En niveles mínimos de ozono en los polos, la radiación ionizante del SN puede aumentar la columna de ozono. “Es poco probable que estos cambios en el ozono atmosférico hayan tenido un impacto significativo en la biosfera emergente en la Tierra durante el Cámbrico”, concluyeron los investigadores.

¿Qué pasa con el enfriamiento global?

El enfriamiento global aumentará, pero no en un grado peligroso. En los océanos Pacífico y Austral, el CCN puede aumentar hasta un 100%, lo que parece mucho. “Estos cambios, aunque climáticamente significativos, pueden compararse con el contraste entre la atmósfera prístina de la era preindustrial y la atmósfera contaminada del presente”. Dicen que enfriará la atmósfera en la misma cantidad que la calentamos ahora.

Estas dos investigaciones ayudan a explicar el efecto de enfriamiento global de un SN cercano que expone a la Tierra a 100 veces más radiación ionizante.  b muestra el cambio fraccionario en CCN en relación con la actualidad.  d muestra el cambio fraccionario en la radiación solar saliente en comparación con el día actual debido al aumento del albedo de las nubes.  Crédito de la imagen: Christodias et al.  2024
Estas dos investigaciones ayudan a explicar el efecto de enfriamiento global de un SN cercano que expone a la Tierra a 100 veces más radiación ionizante. b muestra el cambio fraccionario en CCN en relación con la actualidad. d muestra el cambio fraccionario en la radiación solar saliente en comparación con el día actual debido al aumento del albedo de las nubes. Crédito de la imagen: Christodias et al. 2024

Los investigadores señalan que su estudio se refiere a toda la biosfera, no a individuos. “Nuestro estudio no tiene en cuenta los riesgos directos para la salud de humanos y animales resultantes de la exposición a radiaciones ionizantes elevadas”, escribieron. Dependiendo de las circunstancias individuales, las personas pueden quedar expuestas a niveles peligrosos de radiación con el tiempo. Pero en general, la biosfera seguirá funcionando a pesar de que la radiación ultravioleta se haya multiplicado por 100. Nuestra atmósfera y magnetosfera pueden soportarlo.

“En general, nos parece poco probable que la cercana supernova del sur haya causado un evento de extinción masiva en la Tierra”, escribieron los investigadores. “Concluimos que la atmósfera y el campo geomagnético de nuestro planeta protegen eficazmente la biosfera de los efectos del cercano SNe, que permitió que la vida evolucionara en la Tierra durante los últimos cientos de millones de años”.

Este estudio muestra que la biosfera de la Tierra no sufrirá significativamente mientras las explosiones de supernovas permanezcan a distancia.

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